Chemie am Bau - Ein Portrait der Bauchemie Hubert Motzet Bauchemie vereinigt die beiden Fachgebiete BAUEN und CHEMIE. Dies klingt zunächst nach einem krassen Widerspruch, verbinden doch die meisten Menschen mit Bauen das Errichten mächtiger Gebäude und große Infrastrukturmaßnahmen, wogegen die Rolle der Chemie im atomaren und molekularen Bereich angesiedelt wird. Chemie spielt sich für die meisten Menschen in hochreinen Laboratorien ab; mit Bau verbindet man mehr das Grobe, das Schmutzige. Die Aktuelle Wochenschau möchte im Laufe des Jahres 2011 mit einer Vielzahl von Beiträgen diesen Widerspruch auflösen und Ihnen zeigen, wie Chemie am Bau funktioniert. Wer in seinem Leben schon mal am Bau mitgeholfen hat, kennt das kleine Einmaleins der Mörtelherstellung. Man nehme drei Schippen Sand auf eine Schippe Zement und versetzt die Mischung mit soviel Wasser, bis eine plastische Konsistenz entsteht. Fertig ist der Putz- oder Mauermörtel. Selbst in dieser einfachen Zement-SandAbbildung 1: Burj Dubai Tower, das derzeit Wasser-Mischung laufen bereits komplexe Reaktionen höchste Gebäude der Welt, errichtet mittels ab, die zum Erstarren und Erhärten führen. Diese deutscher Fließmitteltechnologie Hydratationsreaktionen wurden erst in den siebziger (Quelle: Internet: thefutureisawesome.com) Jahren des vorigen Jahrhunderts durch Locher et. al grundlegend aufgeklärt. Moderne Baustoffe stellen ein hoch komplexes Multiphasengemisch dar, deren Reaktionsmechanismen noch weitgehend ungeklärt sind. Diese Wirkungsweisen aufzuklären, ist ein wichtiges Aufgabengebiet der bauchemischen Forschung. Die Bauchemie stellt eine Querschnittswissenschaft dar, die sich verschiedener Elemente aus der Anorganischem, der Organischen und der Analytischen Chemie bedient. Als Spezialgebiete werden die Zementchemie, Polymerchemie und Kolloidchemie herangezogen. Die Bauchemie schlägt die Brücke zu den Bauingenieuren und Architekten ebenso wie in die Geowissenschaften und in die Bauphysik. Mechanische sowie analytische Messverfahren werden angewandt und adaptiert, um Parameter, wie Zusammensetzung, Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit von Baustoffen zu ermitteln. In der Ausgabe 2011 der Aktuellen Wochenschau werden in verschiedenen Beiträgen die unterschiedlichsten Anwendungen der Bauchemie vorgestellt. Im Folgenden werden die wesentlichen Produktgruppen und Anwendungen kurz skizziert. Eine weit verbreitete Anwendung bauchemischen Know-hows liegt in der Betontechnologie. Beton findet Verwendung als Transportbeton, in Betonfertigteilen, in Betonfertigwaren, z.b. Pflastersteine, oder als Spritzbeton. War herkömmlicher Beton eine einfache Mischung aus Portlandzement und Kieskörnung, so stellt moderner Beton ein Multikomponentengemisch dar, bei dem in erster Linie die Zementart und der Zementanteil mit einer optimierten Korngrößenverteilung der Zuschlagkörner aufeinander abgestimmt
sind. In ultrahochfesten Betonen spielen Feinstzuschläge im Mikrometer- und Nanometerbereich eine große Rolle, um ein dichtes Gefüge zu erreichen. In modernen, selbstverdichtenden Betonen kommen speziell abgestimmte Verflüssiger auf Basis Polycarboxylatether zum Einsatz. Die mengenmäßig bedeutendste Gruppe an bauchemischen Produkten stellen die Werktrockenmörtel dar. Diese Produkte kommen sowohl im Innenausbau als auch an der Fassade zum Einsatz. Im Innenausbau dienen spezielle Estrichmörtel zum Herstellen von ebenen und festen Oberflächen als Lastverteilungsschicht am Boden. Selbstverlaufende Bodenspachtelmassen oder standfeste Wandspachtelmassen und Reparaturmörtel werden zum Ausgleich von Unebenheiten an Boden, Wand und Decke eingesetzt. Diese Schnellspachtelmassen Abbildung 2: Gotthard Basistunnels: Auskleiden werden aus Schnellzementsystemen mittels einer der Tunnelröhre mit Spritzbeton (Quelle: BASF) Kombination aus Portlandzement, Tonerdezement und Calciumsulfat formuliert. Über spezielle Additive werden die Verarbeitungszeiten, die Rheologie und die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeitsentwicklung, Quell- und Schwindverhalten sowie Oberflächenfestigkeit gesteuert. Zur Verlegung von keramischen Fliesen und Platten kommen sogenannte Dünnbettmörtel zum Einsatz. In zementären Mörteln sorgen organische Zusätze, wie Celluloseether oder Redispersionspulver, für eine Abbildungen 3 bis 5: Innenausbau im Wohnbereich Die Fliesenverlegung bei laufendem Betrieb im Supermarkt erfordert Rapidsysteme Verfugung von Natursteinbelägen mittels Schlämmmörtel
geschmeidige Verarbeitbarkeit sowie für eine ausreichende Haftung zur glasartigen Rückseite von Feinsteinzeugfliesen. Verlegemörtel für Natursteine sind mit einer speziellen Bindemittelkombination aus Portlandzement, Tonerdezement und Gips formuliert, die einen hohen Teil des zugefügten Anmachwassers durch Hydratationsreaktion chemisch bindet und somit Verfärbungen im Naturstein vorbeugt. An der Fassade bieten Wärmedämmverbundsysteme mit einer gezielten Abstimmung des Ansetzmörtels, des Armierungsmörtels und des Oberputzes optimalen Schutz der wärmeisolierenden Schicht aus mineralischen oder polymeren Isoliermaterial. Zur festen Verankerung von Bodenbelägen, wie Teppichböden, PVC-Bodenbeläge oder Linoleum werden überwiegend flüssige Belagsklebstoffe auf Basis wässriger Polymerdispersionen von Acrylat, Vinylacetat-Ethylen oder Butadien eingesetzt. Zur Verlegung von Parkettböden werden wasserarme oder wasserfreie Klebstoffsysteme erfolgreich eingesetzt, um ein Holzquellen zu vermeiden. Wurden diese Klebstoffe in der Vergangenheit durch Lösen der klebrig machenden Harze in Lösemittel, wie Toluol, hergestellt, so werden heutzutage fast ausschließlich lösemittelfrei Klebstoffe eingesetzt. Immer mehr setzten sich Produkte auf Basis silan-terminierter Polyether durch. Abbildung 6: Haftung eines zementären Fliesenklebers (unten) an der glasartigen Rückseite einer Fliese (oben) über verfilmtes Redispersionspulver (Quelle: Elotex) Abbildung 7: Spezifische Wärmeflüsse von Calciumaluminatzement mit 0,2 Ma.% Li2CO3 und verschiedenen Zugaben an Weinsäure (Quelle: Götz-Neunhoeffer) Um Gebäude gegen Oberflächen- oder Grundwasser zu schützen, kommen überwiegend Bauwerksabdichtungen auf Bitumenbasis zum Einsatz. Häufig gilt es, Baukonstruktionen nicht nur gegen äußerliche Wassereinwirkung zu schützen, sondern auch gegen Wasser in Duschräumen und Schwimmbädern. Hier finden überwiegend elastische Dichtungsschlämme auf Basis von Polymerdispersionen oder Zement-KunststoffKombinationen Anwendung. Dichtungsmaterialien auf Reaktionsharzbasis, z.b. Epoxidharz oder Polyurethan, findet man in Bereichen mit erhöhter chemischer Belastung, z.b. im Säurebau oder auch in der Lebensmitteindustrie. Beschichtungen haben die überwiegende Funktion, Gebäudeteile an Wand oder Boden zu schützen. Klassische Bodenbeschichtungen auf Epoxidharz- oder Polyurethanbasis werden in Schichtstärken von wenigen 10 Mikrometern bis in den Millimeterbereich aufgetragen. Dabei erfüllen sie die Funktion, die Bodenkonstruktion vor chemischem und mechanischem Verschleiß zu schützen. Beschichtungen an der Wand helfen ebenfalls, die Funktionsfähigkeit und die Dauerhaftigkeit eines Gebäudes zu erhalten. Häufig kommen silanisierte Beschichtungen zu Einsatz, um Betonteile vor Umwelteinflüssen, aggressiven Medien oder einfach nur Graffitimalereien zu schützen.
Abbildung 8: Schutz der Konstruktion mit Hilfe einer flexiblen zementären Dichtungsschlämme Abbildung 9: Moderne Schwimmbadlandschaft Dichtstoffe dienen in erster Linie dazu, starre Gebäudeteile elastisch zu verbinden. Dabei geht es nicht um eine statisch tragende Verbindung, sondern in erster Linie um den Schutz von Gebäudeteilen. Elastische Dichtstoffe müssen statische Schwankungen oder thermische Ausdehnung der Gebäudeteile kompensieren und eine dichte Verbindung aufrechterhalten. Dichtstoffe werden meist auf Basis von Silikon, Polyurethan, silanterminierten Polyethern oder Polysulfid formuliert. Der Werkstoff Holz vereinigt eine Reihe von technischen Vorzügen, wie Leichtigkeit und Festigkeit mit ästhetischen Merkmalen. Damit Holz seine Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit ausspielen kann, muss es häufig mit Holzschutzmittel gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Dies können im klassischen Sinn filmbildende Beschichtungen sein oder auch moderne Lasuren oder Tiefenimprägnierungen. Bauschäden Baustoffe sind oftmals in ihrer Umgebung unter thermodynamischen Gesichtspunkten nicht stabil. An oxidierender Atmosphäre, unter Wasserzutritt und Einfluss atmosphärischer Gase werden Baustoffe angegriffen, und es kommt zur Schädigung. In einem ersten Schritt gilt es, die aufgetretenen Schäden mittels der sogenannten Schadenskartierung zu ermitteln. Ein wichtiges Instrument in der Sanierung ist, Abbildung 10: Holzklebstoffe und Holzschutzmittel zur Errichtung des Olympiastadions in Peking 2008 Feuchtigkeitseintrag aus der Umgebung zu (Quelle: BASF) unterbinden. Dies kann durch Injektion von silikatischen oder polymeren Feuchtigkeitssperren in das Mauerwerk erfolgen. Spezielle Sanierputze sorgen dafür, dass das Mauerwerk durch Wasserdampfdiffusion austrocknen kann. Im Bereich der Denkmalsanierung ist es oftmals zwingend notwendig, die ursprüngliche Bausubstanz zu erhalten und für Sanierungsmaßnahmen die historischen Mörtel nachzustellen. Dies erfordert auch spezielle Kenntnisse über die Zusammensetzung, die Gewinnung und die Herstellung von historischen Mörteln.
Gesundheitsschutz und Ökologie Galt es in der Vergangenheit in erster Linie, die technische Funktionalität von Baustoffen zu angemessenen Preisen sicher zu stellen, so widmet sich die aktuelle Forschung immer mehr dem Gesundheitsschutz und ökologischen Aspekten. Wer erinnert sich nicht an de berüchtigten Skandale um Asbestfasern in Faserzementplatten, um PCP (Pentachlophenol) in Holzschutzmittel oder um PAK's (Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe) in Parkettklebstoffen auf Bitumenbasis. Vielfach wurden diese Materialien in Innenräumen eingebaut, und mit den Folgen haben wir noch heute zu kämpfen. Heutzutage leistet die Bauchemie einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung umweltverträglicher Produkte, die keine negativen Auswirkungen auf die Gesundheit aufweisen. Die Klebstoffindustrie ist in den vergangenen 15 Jahren konsequent den Weg von lösemittelhaltigen zu lösemittelfreien Bauklebstoffen gegangen. Heutzutage sind sehr emissionsarme Klebstoffe Stand der Technik. Abbildung 11: Reduktion des Emissionsniveaus von Belagsklebstoffen in den vergangenen 15 Jahren Die EU-Bauproduktenverordnung schreibt neben verbindlichen Standards für Standsicherheit, Brandschutz, Nutzungssicherheit auch Mindestanforderungen in den Kriterien Hygiene, Gesundheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen beispielsweise Materialien vor ihrer bauaufsichtlichen Zulassung durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) in Berlin auf ihre Emissionen hin untersucht werden. Nachhaltigkeit Unter Nachhaltigkeit in der Bauchemie wird die Verbindung von wirtschaftlichem Erfolg mit Verantwortung für die Umwelt und dem Wohlergehen der Gesellschaft verstanden. Da im Bereich des Bauens immense Massenströme bewegt werden, kommt der Reduzierung des Energieverbrauches und der CO2-Belastung, die aus Bauaktivitäten resultieren, eine große Bedeutung zu. Die Maßnahmen gehen dabei in zwei Richtungen. Zum einen wird versucht, bei der Herstellung und dem Transport von Baustoffen Ressourcen und Energie zu sparen. Zum anderen leisten Wärmedämmverbundsysteme einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zum Passivhaus.
Abbildung 12: Energieeffiziente Gebäudeisolierung In der Aktuellen Wochenschau 2011 setzten wir bewusst einen Schwerpunkt auf das Thema Nachhaltigkeit und stellen in einer Reihe von Publikationen dieses Thema in den Mittelpunkt. Die Fachgruppe möchte damit eine Diskussion anregen, getreu dem Motto des Polarforschers Robert Swan "Die größte Bedrohung für unseren Planeten ist der Glaube, dass jemand anderes ihn retten wird". Ich lade sie auf eine spannende und unterhaltsame Reise durch das Jahr 2011 in der Aktuellen Wochenschau ein. Eine Reihe von Autoren wird Ihnen die mannigfaltigen Facetten der Bauchemie vorstellen. Der Beitrag in der nächsten Woche befasst sich mit den Möglichkeiten des Studiums der Bauchemie an Universitäten und Hochschulen sowie mit deren Forschungsschwerpunkten. Kontakt: Schlauer Fuchs Dr. Hubert Motzet Vorsitzender der Fachgruppe Bauchemie SCHÖNOX GmbH Alfred-Nobel-Str. 6 48720 Rosendahl Tel.: +49 (0)2547/910340 E-Mail: hubert.motzet@akzonobel.com Unsere Schlaue-Fuchs-Frage zu diesem Beitrag lautete: Welche bauchemischen Produkte sind mengenmäßig am bedeutendsten? http://www.gdch.de/strukturen/fg/bau.htm